智能實驗室WMSNs中基于數據快速轉發的QoS保障方法*

張容娟　李宗峰

(陽光學院　福州　350015)

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智能實驗室WMSNs中基于數據快速轉發的QoS保障方法*

張容娟李宗峰

(陽光學院福州350015)

摘要擁塞是引起無線多媒體傳感器網絡(WMSNs)的服務質量(QoS)評價降低的一個重要原因。針對智能實驗室WMSNs中的擁塞問題,借鑒業務區分的思想,充分考慮不同類型應用的QoS需求,提出一種基于數據快速轉發的QoS保障方法。待轉發的數據不再需要完全經過協議棧處理,而是通過學習數據特征建立調度轉發規則,其后借助硬件,依據已建立規則處理和轉發具有相同特征的數據。實驗結果表明,該方法實現了有效提高了節點的轉發性能,同時提供了基于業務特征的QoS保障。

關鍵詞WMSNs; 擁塞; QoS; 快速轉發

Class NumberTP393

1引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Netowrks,WSNs)通過將大量能量和計算能力受限的傳感節點分布在被監測的區域,以自組織和多跳的方式構成無線網絡,協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋監測區域內被感知對象的信息,并最終把這些信息通過簇節點發送給網絡的所有者[1]。隨著對WSNs研究的逐漸深入,傳感節點具備了更高的信息述能力,原來單純采集溫度、濕度、位置等標量數據已不再滿足應用的需求,能夠感知和處理圖像、音頻、視頻等大信息量媒體數據的無線多媒體傳感器網絡(Wirless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)[2]應運而生。然而WMSNs由于自身存在可移動性、不穩定性和資源受限等特點,在數據匯聚過程中,尤其感知信息的數據量大,待處理任務復雜的條件下,容易造成擁塞現象,導致數據在傳輸過程中延時,甚至丟失,嚴重影響數據的可靠性。因此,如何在WMSNs中實現有效的擁塞管理,滿足不同應用的QoS需求,就成為一個亟待解決的問題。

2相關工作

擁塞是指網絡中出現流量高峰或過載等情況時,由于需要傳送的數據量超過了網絡處理能力,網絡服務性能出現下降的現象[3]。針對WMSNs中的擁塞現象引起的QoS評價降低問題,國內外學者進行了大量的相關研究[4～9],解決方法主要分為以下幾類: 1) 針對特定的擁塞場景和擁塞產生原因,調節速率,避免傳輸層擁塞產生; 2) 借助中間件,根據網絡狀態、節點資源或應用需求,主動或被動重構網絡組件和QoS服務,達到緩解擁塞的目的; 3) 使用網內數據融合、多徑傳輸的方法,并引入模糊邏輯、蟻群算法等智能算法,均衡負載,避免和緩解擁塞; 4) 對協議棧各層提供的QoS支持進行研究,從分層或跨層的角度映射QoS指標,改進或提出算法,提升應用的QoS; 5) 抓住“面向應用”WMSNs這一重要特點,按照不同應用的QoS需求,采用區分服務機制,實現應用的QoS保障。

本文借鑒相關研究中業務區分的思想,針對智能實驗室這一應用場景,在WMSNs節點中增加快速轉發模塊,協助處理數據報文的轉發,提出一種基于數據快速轉發的QoS保障方法,有效地滿足了智能實驗室WMSNs中不同應用的QoS需求。

3智能實驗室WMSNs的QoS

3.1QoS指標

面向應用是WMSNs的一個重要特點。對智能實驗室的應用而言,其關心的是WMSNs提供的QoS,而不考慮網絡內部處理的具體過程。本文從面向應用的角度,給出QoS中的時延、可靠性、吞吐率三個指標的定義:時延是指從傳感器節點發送感知的信息數據到相應應用收到傳感器節點提供的感知數據之間的時間,與網絡狀態和節點的計算能力相關;可靠性是指WMSNs對應用發出感知請求的滿足程度,受到網絡狀態的影響;吞吐率是指單位時間內應用接收到的數據報文數量,涉及時延和可靠性。

智能實驗室中的WMSNs主要由各種標量傳感器節點,多媒體傳感器節點,匯聚節點和控制中心組成。標量傳感器節點用于收集門禁系統的坐標、用戶的身份信息、教室的光強等標量數據.這些數據對數據傳輸的實時性要求相對較低。多媒體傳感器節點負責感知實驗室中的圖像、音頻、視頻等多媒體數據。這些數據收集后需要經過加密、融合、壓縮等復雜的數據處理過程,其后再進行轉發,對傳輸的實時性一般要求較高。匯聚節點是WMSNs與控制中心之間的接口,既可以是標量傳感器節點,也可以是多媒體傳感器節點,甚至是完全沒有感知能力的路由設備。WMSNs中的數據會不斷向匯聚節點匯聚,在數據持續往匯聚節點匯聚的過程中,擁塞的程度也隨之上升,特別是在匯聚節點周圍的節點,這種現象被稱為漏斗效應[10]。控制中心會間歇性通過匯聚節點的向其它節點發送控制報文或查詢報文,并且希望得到目的節點盡可能及時的響應。這些報文一般數據量不大,但實時性要求很高。

3.2業務區分

不同的應用在特定的場景內有著各自的QoS需求。文獻[11]將WMSNs基本應用類型分為控制應用、多媒體應用、標量應用和其它四類。其中控制應用關注數據的實時性和可靠性;多媒體應用可以是傳輸實時數據的應用,關注傳輸延遲和吞吐率;也可以是傳輸非實時數據的應用,關注的是可靠性。

智能實驗室中的WMSNs應用也可以按照如上所述的分類方法歸類,并且根據不同應用類型的QoS指標,將應用類型映射到不同的優先級上(如表1所示)。

表1　應用類型與優先級映射關系

3.3擁塞原因

一般而言,WMSNs節點上擁塞的直接原因主要有以下三點[12]:

1) 帶寬容量不足。高速數據流輸入低速鏈路會產生擁塞。

2) 處理器能力弱、速度慢。一方面,節點處理器在處理路由轉發功能時,可能與高速鏈路的要求不匹配而產生擁塞;另一方面,處理多媒體數據對處理器的性能提出更高的要求,處理器性能瓶頸也可能引起網絡擁塞的發生。

3) 存儲空間不足。節點的存儲空間有限,無法滿足高速數據流匯聚至節點時的緩存需求。即使可以擴展存儲空間,受處理器性能的制約,仍可能無法及時轉發數據報文。

由此可見,在WMSNs資源有限的條件下,負載越高,擁塞的幾率也越高,而提高節點的數據報文轉發能力是保障QoS的一個有效方法。同時,考慮本文場景中的各傳感器節點多置于室內,可以忽略各節點的能耗問題。基于以上兩點分析,可以在WMSNs的匯聚節點中增加快速轉發模塊,專門處理數據的加速轉發工作。如此,節點主處理器的性能要求可以相對降低,有利于成本和能耗的削減。

3.4隊列管理

隊列管理機制是網絡的中間節點實現擁塞管理的主要方式。廣義的隊列管理機制分為緩存管理和隊列調度兩個部分:緩存管理主要是決定對到達節點的數據報文是接收或丟棄,何時接收或丟棄;隊列調度是在接收數據報文之后,通過控制不同類型的數據報文進行重新排序,使不同的數據報文得到不同等級的服務。

快速轉發模塊中的緩存管理采用“隊尾丟棄”算法。為每個隊列設置一個門限值,當隊列長度達到這個門限值時,就不再接受后續數據報文。隊列調度采用“嚴格優先級”算法,賦予不同隊列不同的優先級。在發送數據報文時,按照優先級順序,只有優先級高的隊列中的報文完全發送后,再發送低優先級隊列中的數據報文。該調度算法實現簡單,可以保證高優先級隊列中的報文得到高可靠性、低時延的服務。

4快速轉發模塊

4.1模塊設計

傳統的網絡設備對數據報文的轉發是通過網絡協議棧的處理后,根據系統配置和應用需求進行數據報文分類,并將數據報文放入相應優先級的隊列內進行發送。對于高優先級的隊列內的數據報文進行優先保障,剩余的帶寬再進行盡力而為的發送。在此過程中,每個數據報文都經過協議棧的處理。這種處理方式受處理器處理能力的制約,不僅嚴重影響了轉發效率,也浪費了處理器資源。網絡層中,每個數據報文都包含源IP、目的IP、源端口、目的端口和協議類型幾個特征值。一定時間內,協議棧對這些特征值相同的后續數據報文的處理行為與首個數據報文的處理行為是完全相同的。這種簡單的重復性行為,為避免“后續數據報文”完全經過協議棧處理轉發提供了可能。

快速轉發模塊對數據報文的處理分為兩個階段:學習階段和快速轉發階段。學習階段,快速轉發模塊分析上文提到的“首個”報文,建立數據轉發規則;快速轉發階段,快速轉發模塊在協處理器支持下,實現硬件優先級調度,并根據前一階段建立好的轉發規則,處理和轉發具有相同特征的“后續報文”。

4.2轉發規則建立

當數據報文通過協處理器,尚未流入協議棧時,需要記錄其相關信息。當該數據報文進入Linux協議棧后,通過Netfilter框架注冊鉤子函數,在網絡層進行數據報文捕獲[13]。到達協議棧的數據報文在網絡層處理前會先經過鉤子函數,可以借此對數據報文的源IP、目的IP、源端口、目的端口和協議類型幾個字段進行提取。這些字段既是快速轉發匹配所需的關鍵字,也是應用享受區分服務的特征值。數據報文經過協議棧處理后,再次到達協處理器時,記錄修改后的數據報文信息,并與之前記錄的流入狀態對比,根據數據報文的變化構造快速轉發表。后續數據報文進入Linux協議棧前會匹配快速轉發表中的特征字段。匹配成功,則進入硬件快速轉發階段;否則,認為該數據報文是新的待學習報文,進入學習流程建立新的轉發規則。

4.3優先級調度

協處理器的芯片提供了八個優先級不同的硬件隊列,需要三位二進制數作為標識,控制數據報文進入不同的隊列。用于描述數據報文的結構體sk_buff中定義了mark變量,可以作為業務區分私有標識。首先,使用Ebtables/Iptables函數匹配數據報文既定字段的特征值,修改數據報文的mark變量值,作為后續隊列調度時業務與優先級隊列映射的依據。其次,快速轉發模塊根據mark變量的低三位調度接收到的數據報文,將其送入相應的硬件隊列。其中,從最低優先級開始的四條隊列定義為常用隊列,分別映射其它應用、標量應用、多媒體應用和控制應用。若出現實時性要求更高的應用需求,可以分配到剩余的高優先級隊列中。最后,被允許發送的數據報文會按照快速轉發表的配置,通過硬件替換數據報文中的相應字段,由發送接口發送出去。

數據轉發流程如圖1所示,數據報文到達節點時,首先提取報文信息,獲取匹配所需的特征值;其次查詢硬件轉發表,若表中存在符合該數據報文特征的轉發規則,則直接通過加速轉發模塊的硬件優先級隊列直接轉發;否則將該數據報文交由協議棧處理,創建新的轉發規則并映射至相應的優先級隊列,協議棧處理后的數據報文就按照創建的轉發規則進行轉發;其后接收到具有相同特征的數據報文就不必再經過協議棧處理流程。

圖1　快速轉發模塊數據轉發流程

快速轉發流程的優勢在于可以根據業務的數據報文特征進行硬件優先級調度和數據轉發,跳過了協議棧出流程,提高了數據報文的轉發效率,在網絡擁塞的條件下盡可能地滿足應用的需求。

5實驗與分析

為了驗證本文所提方法的有效性,建立仿真環境進行測試驗證。測試環境由一個帶有快速轉發模塊的sink節點、七臺帶有無線網卡的PC(分別模擬三個標量傳感器節點PC1～PC3和四個多媒體傳感器節點PC4～PC7)和一臺服務器組成。這七個模擬節點在15m*10m的區域內隨意放置,通過sink節點的Lan側接口連接至服務器。測試中,快速轉發模塊以數據端口號作為應用分類依據,并且配置控制類型應用優先級最高,多媒體數據優先級其次,標量數據優先級最低。各PC與應用類型模擬關系如表2所示。

表2　PC與應用類型模擬關系

各臺PC同時運行Chariot軟件,以服務器為目的端,測試節點的QoS指標(本次測試中可靠性使用丟包率代替)。測試結果如表3、表4所示,由于無線信號的不穩定和環境干擾等因素的影響,測試結果體現出的應用類型優先級關系存在細微的誤差。與未使用快速轉發模塊的sink節點相比,增加快速轉發模塊的sink節點的QoS指標有著較為明顯的提高。

表3　各傳感器節點平均查詢

表4　各傳感器節點丟包率測試結果

6結語

本文針對智能實驗室這一特定場景,在WMSNs節點中插入快速轉發模塊,通過學習應用的數據報文特征,建立快速轉發規則,保證后續相同應用數據報文能夠不完全進入協議棧,借助協處理器快速發送,提高了節點的轉發性能;同時,快速轉發模塊可以精確識別出業務類型,并根據應用需求加以調度,提供了基于業務特征的QoS保障;此外,由于快速轉發模塊中使用專門的硬件輔助數據轉發,允許節點降低對處理器的需求,處理器的選擇和使用更為靈活。

目前,快速轉發模塊對業務的識別依據主要停留在網絡層,如何能更加細致自然的區分實際應用,智能的保障更多業務的QoS需求,乃至同一業務不同場景下不同QoS的需求,將成為下一步工作的重點。

參 考 文 獻

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QoS Guarantees Method Based on the Fast Data Forwarding in the Intelligent Laboratory WMSNs

ZHANG RongjuanLI Zongfeng

(Sunshine College, Fuzhou350015)

AbstractCongestion is one of the important reasons which caused the quality of service (QoS) evaluation degradation of the wireless multimedia networks (WMSNs) in intelligent laboratory. On account of congestion problems in intelligence laboratory WMSNs, and reference the ideas of business distinguish, fully considering the QoS requirements of different application, proposing a QoS guarantee method which based on fast forwarding data. For forwarding data does not need to through the protocol stack processing completely, but to established scheduling rules by learning the feature of forward data, thereafter with the help of hardware, according to the established rules of processing and forwarding the data with the same characteristics. The experiment result Indicates improve that this method implements effectively improve the performance of forwarding nodes, and provided the QoS guarantee which base on the business characteristics in the meantime.

Key WordsWMSNs, congestion, QoS, fast data forwarding

* 收稿日期:2015年11月4日,修回日期:2015年12月23日

基金項目:福建省教育廳中青年教師教育科研項目/科技A類項目(編號:JA14359)資助。

作者簡介:張容娟,女,碩士,講師,研究方向:嵌入式應用系統開發。李宗峰,男,中級工程師,研究方向:實驗室智能化管理。

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.030